Патент на изобретение №2253194

(54) ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА С УЛУЧШЕННОЙ СИСТЕМОЙ ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к источникам высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Источник высокоэнергетичных фотонов содержит пару электродов (8), расположенных в вакуумной камере устройства (2) для создания плазменного пинча. Камера содержит рабочий газ, который содержит благородный буферный газ и активный газ, выбираемый так, чтобы генерировать требующуюся спектральную линию. Источник (10) импульсного питания вырабатывает электрические импульсы достаточно высокого напряжения, чтобы создавать электрический разряд между электродами. Этот разряд создает в рабочем газе высокотемпературные плазменные пинчи высокой плотности, которые генерируют излучение в спектральной линии источника. Электроды имеют коаксиальную конфигурацию с анодом по оси. Активный газ вводится через полый анод. Это позволяет производить оптимизацию источника спектральной линии и отдельно оптимизацию по буферному газу. 21 з.п. ф-лы, 17 ил.

Эта заявка является частичным продолжением патентной заявки США peг. №09/590,962, поданной 9 июня 2000 г., патентной заявки США peг. №09/442,582, поданной 18 ноября 1999 г., и патентной заявки США per. №09/324,526, поданной 2 июня 1999 г., которая была частичным продолжением патентной заявки США peг. №09/268,243, поданной 15 марта 1999 г., которая теперь является патентом США №6,064,072, и патентной заявки США peг. №09/093,416, поданной 8 июня 1998 г., которая теперь является патентом США №6,051,841, причем эта заявка была частичным продолжением патентной заявки США peг. №08/854,507, которая теперь является патентом США №5,763,930. Это изобретение касается источников высокоэнергетичных фотонов, и в частности очень надежных источников рентгеновского излучения и высокоэнергетичного ультрафиолетового излучения.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В полупроводниковой промышленности продолжается развитие литографических технологий, которые позволяют выполнять литографию с размерами даже меньшими, чем интегральные схемы. Эти системы должны иметь высокую надежность, высокую производительность и разумную широту или приспосабливаемость процесса. В последнее время индустрия по изготовлению интегральных схем перешла от источников облучения с G-линией (436 нм) и I-линией (365 нм) ртути на источники в виде эксимерных лазеров с длинами волн излучения 248 нм и 193 нм. Этот переход был ускорен потребностью в получении более высокого литографического разрешения с минимальными потерями в глубине фокуса.

Потребности индустрии интегральных схем вскоре превысят разрешающую способность источников облучения с длиной волны 193 нм, следовательно, возникает необходимость иметь надежный источник облучения с длиной волны значительно короче чем 193 нм. Существует эксимерная линия на 157 нм, однако трудно получить оптические материалы с достаточным пропусканием на этой длине волны и достаточно высокого оптического качества. Поэтому могут потребоваться системы формирования изображения с полным отражением. Для оптических систем с полным отражением требуется меньшая числовая апертура, чем для пропускающих систем. Потери в разрешении, обусловленные меньшей числовой апертурой (ЧА), могут быть компенсированы только путем уменьшения длины волны на коэффициент, имеющий большую величину. Таким образом, если разрешение оптической литографии должно быть улучшено на большую величину, чем та, которая может быть достигнута с помощью источника с длиной волны 193 нм или 157 нм, тогда требуется источник света с излучением в области 10 нм.

В настоящее время в области техники, связанной с источниками высокоэнергетичного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, используется плазма, получаемая при бомбардировке мишеней из различных материалов лазерными пучками, электронами или другими частицами. Используются твердые мишени, но загрязнение, возникающее из-за абляции (эрозии) твердой мишени, отрицательно влияет на различные элементы системы, предназначенной для получения излучения спектральной линии. Предложенное решение по преодолению проблемы загрязнения заключается в использовании мишени из замороженной жидкости или замороженного газа, так что загрязняющие частицы не будут осаждаться на оптическом оборудовании. Однако на практике не продемонстрирована работа ни одной из таких систем для получения излучения спектральной линии.

В течение уже многих лет хорошо известно, что рентгеновское излучение и высокоэнергетичное ультрафиолетовое излучение могут быть получены при создании плазменного пинча. В плазменном пинче электрический ток проходит через плазму в одной из нескольких возможных конфигураций так, что магнитное поле, создаваемое протекающим электрическим током, ускоряет электроны и ионы в плазме, концентрируя их в маленьком объеме, где их энергия становится достаточной для того, чтобы вызвать существенное “вырывание” внешних электронов из ионов и последующую генерацию рентгеновского излучения и высоковольтного ультрафиолетового излучения. В приведенных ниже патентах описаны различные известные методы генерации высокоэнергетичного излучения плазменным фокусом или пинчевой плазмой:

J.M.Dawson, “X-Ray Generator” (Генератор рентгеновского излучения). Патент США №3,961,197, 1 июня 1976 г.

T.G.Roberts, et al., “Intense, Energetic Electron Beam Assisted X-Ray Generator” (Генератор рентгеновского излучения, создаваемого интенсивным высокоэнергетичным электронным пучком). Патент США №3,969,628, 13 июля 1976 г.

J.H.Lee, “Hypocycloidal Pinch Device” (Устройство для создания гипоциклоидального пинча), Патент США №4,042,848, 16 августа 1977 г.

L.Cartz, et al., “Laser Beam Plasma Pinch X-Ray System” (Система для получения рентгеновского излучения плазменного пинча, создаваемого лазерным пучком). Патент США №4,504,964, 12 марта 1985 г.

A.Weiss, et al., “Plasma Pinch X-Ray Apparatus” (Устройство для получения рентгеновского излучения плазменного пинча). Патент США №4,536,884, 20 августа 1985 г.

S.Iwamatsu, “X-Ray Source” (Источник рентгеновского излучения). Патент США №4,538,291, 27 августа 1985 г.

G.Herziger, W.Neff, “Apparatus for Generating a Source of Plasma with High Radiation Intensity in the X-ray Region” (Устройство для создания источника плазмы с интенсивным излучением в рентгеновской области спектра). Патент США №4,596,030, 17 июня 1986 г.

A.Weiss, et al., “X-Ray Lithography System” (Литографическая система с облучением рентгеновским излучением). Патент США №4,618,971, 21 октября 1986 г.

A.Weiss, et al., “Plasma Pinch X-ray Method” (Способ получения рентгеновского излучения плазменного пинча). Патент США №4,633,492, 30 декабря 1986 г.

I.Okada, Y. Saitoh, “X-Ray Source and X-Ray Lithography Method” (Рентгеновский источник и способ литографии с рентгеновским облучением). Патент США №4,635,282, 6 июня 1987 г.

R.P.Gupta, et al., “Multiple Vacuum Arc Derived Plasma Pinch X-Ray Source” (Источник рентгеновского излучения из плазменного пинча, полученного на основе множества дуговых разрядов в вакууме). Патент США №4,751,723, 14 июня 1988 г.

R.P.Gupta, et al., “Gas Discharge Derived Annular Plasma Pinch X-Ray Source” (Источник рентгеновского излучения из кольцевого плазменного пинча, полученного на основе газового разряда). Патент США №4,752,946, 21 июня 1988 г.

J.C.Riordan, J.S. Peariman, “Filter Apparatus for use with an X-ray Source” (Фильтр для использования с рентгеновским источником). Патент США №4,837,794, 6 июня 1989 г.

W.Neff, et al., “Device for Generating X-radiation with a Plasma Source” (Устройство для генерации рентгеновского излучения с плазменным источником). Патент США №5,023,897, 11 июня 1991 г.

D.A.Hammer, D.H.Kalantar, “Method and Apparatus for Microlithography Using X-Pinch X-Ray Source” (Способ и устройство для микролитографии с использованием источника рентгеновского излучения Х-пинча). Патент США №5,102,776, 7 апреля 1992 г.

M.W.McGeoch, “Plasma X-Ray Source” (Плазменный источник рентгеновского излучения). Патент США №5,504,795, 2 апреля 1996 г.

G.Schriever, et al., “Laser-produced Lithium Plasma as a Narrow-band Extended Ultraviolet Radiation Source for Photoelectron Spectroscopy” (Литиевая плазма, полученная с помощью лазера, как узкополосный протяженный источник ультрафиолетового излучения для фотоэлектронной спектроскопии). Applied Optics, Vol.37, №7, pp.1243-1248, March 1998.

R.Lebert, et al., “A Gas Discharged Based Radiation Source for EUV Lithography” (Источник излучения на основе газового разряда для ВУФ литографии). Int.Conf. On Micro and Nano Engineering (Международная конференция по микро- и нанотехнике), сентябрь, 1998.

W.T.Silfast, et al., “High-power Plasma Discharge Source at 13,5 nm and 11.4 nm for EUV Lithography” (Мощный источник газоразрядной плазмы с излучением на 13,5 нм и 11,4 нм для ВУФ литографии). SPIE Proc. On Emerging Lithographic Technologies III, Vol. 3676, pp.272-275, March 1999.

F.Wu, et al., “The Vacuum Spark and Spherical Pinch X-ray/EUV Point Sources” (Точечные источники рентгеновского/ВУФ излучения на основе вакуумного искрового разряда и сферического пинча), SPIE Proc. On Emerging Lithographic Technologies III, Vol. 3676, pp.410-420, March 1999.

I.Fomenkov, W.Partlo, D.Birx. “Chracterization of a 13,5 nm for EUV Lithography based on a Dense Plasma Focus and Lithium Emission” (Определение параметров спектральной линии 13,5 нм для ВУФ литографии на основе плотного плазменного фокуса и излучения лития), Sematech International Workshop on EUV Lithography, October, 1999.

Известные в данной области техники устройства с плазменным фокусом могут генерировать интенсивное излучение, подходящее для литографии с облучением вблизи рентгеновского спектра, но у них ограничена скорость повторения из-за требующейся большой величины электрической энергии на один импульс и из-за короткоживущих внутренних компонентов. Требования по величине запасенной электрической энергии для этих систем составляют от 1 до 100 кДж. Скорости повторения обычно не превышают нескольких импульсов в секунду.

В то же время требуется простая и надежная система получения спектральной линии для генерации высокоэнергетичного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, причем эта система должна работать при высоких скоростях повторения и не иметь проблем, присущих аналогам, связанных с образованием загрязнений.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает источник высокоэнергетичных фотонов, содержащий: А) вакуумную камеру; В) по меньшей мере два электрода, установленных коаксиально в упомянутой вакуумной камере, определяющих область электрического разряда и выполненных с возможностью создания плазменных пинчей высокой частоты в месте пинча при электрическом разряде; С) рабочий газ, содержащий активный газ и буферный газ, причем буферный газ представляет собой благородный газ, а активный газ выбран так, чтобы обеспечить излучение по меньшей мере одной спектральной линии; D) систему подачи активного газа для подачи активного газа в упомянутую область разряда; и Е) систему импульсного питания, обеспечивающую электрические импульсы с энергией по меньшей мере 12 Дж на импульс при частоте повторения импульсов по меньшей мере 2000 Гц, причем упомянутая система содержит: 1) батарею зарядных конденсаторов; 2) быстродействующее зарядное устройство для зарядки упомянутой батареи зарядных конденсаторов за периоды времени менее около 0,5 микросекунд; 3) средство управления напряжением зарядных конденсаторов для управления зарядом на батарее зарядных конденсаторов; 4) цепь электромагнитного сжатия, содержащую по меньшей мере одну батарею конденсаторов и по меньшей мере одну катушку индуктивности с насыщаемым сердечником; 5) триггер батареи зарядных конденсаторов для разрядки упомянутой батареи зарядных конденсаторов в упомянутую цепь электромагнитного сжатия; и 6) импульсный трансформатор для увеличения напряжений импульсов по меньшей мере на коэффициент 4, содержащий по меньшей мере три одновитковых первичных обмотки и единственную одновитковую вторичную обмотку. В вакуумной камере расположена пара электродов для создания плазменного пинча. Камера заполнена рабочим газом, который включает благородный буферный газ и активный газ, выбранный таким образом, чтобы получать требующуюся спектральную линию. Импульсный источник питания обеспечивает подачу электрических импульсов напряжения, величина которых достаточна для создания электрического разряда между электродами с тем, чтобы получить в рабочем газе плазменные пинчи с очень высокой температурой и высокой плотностью, которые обеспечивают излучение в спектральной линии источника или активного газа. Предпочтительно, электроды имеют коаксиальную конфигурацию, при этом анод расположен на оси. Анод предпочтительно полый, и активный газ вводится через анод. Это позволяет выполнять оптимизацию спектральной линии источника и отдельно оптимизацию буферного газа. Описаны предпочтительные варианты представленной оптимизации значений емкости, длины и формы анода, а также предпочтительные системы подачи активного газа. Предпочтительные варианты также включают в себя систему импульсного питания, содержащую зарядный конденсатор и цепь электромагнитного сжатия, содержащую импульсный трансформатор. Описана система охлаждения с тепловой трубой для охлаждения центрального анода. В предпочтительных вариантах внешний отражательный коллектор излучения, являющийся также направляющим устройством, собирает излучение, генерируемое в плазменном пинче, и направляет это излучение в требующемся направлении. Описаны варианты для формирования фокусированного пучка и параллельного пучка. Кроме того, в предпочтительных вариантах активный газ представляет собой пары лития, а буферный газ – гелий, и коллектор излучения выполнен из материала или покрыт материалом, обладающим высокой отражательной способностью при скользящем падении. Подходящими отражающими материалами являются молибден, палладий, рутений, родий, золото или вольфрам.

В других предпочтительных вариантах буферным газом является аргон, а газообразный литий получают путем испарения твердого или жидкого лития, находящегося в отверстии вдоль оси центрального электрода коаксиальной электродной конфигурации. В предпочтительных вариантах реализации загрязняющие частицы собираются на коническом вложенном коллекторе загрязняющих частиц, имеющем поверхности, совмещенные со световыми лучами, выходящими из места пинча и направленными к коллектору – направляющему устройству излучения. Конический вложенный коллектор загрязняющих частиц и коллектор – направляющее устройство излучения поддерживаются при температуре в диапазоне около 400°С, что выше точки плавления лития и значительно ниже точки плавления вольфрама. Пары вольфрама и лития собирают на коллекторе загрязняющих частиц, но литий будет испаряться с коллектора загрязняющих частиц и коллектора – направляющего устройства, в то время как вольфрам будет постоянно оставаться на коллекторе загрязняющих частиц и поэтому он не будет собираться на коллекторе – направляющем устройстве излучения и ухудшать его отражательную способность. Отражательный коллектор – направляющее устройство излучения и конический вложенный коллектор загрязняющих частиц могут быть изготовлены вместе в виде единого конструктивного элемента или они могут быть отдельными конструктивными элементами, центрированными (соосными) друг с другом и с местом пинча.

Если требуется, камера может быть снабжена специальным окном, которое выполняется для пропускания света ВУФ диапазона и отражения света (излучения) с более низкой энергией, включая видимый свет. Это окно предпочтительно является окном небольшого диаметра, состоящее из чрезвычайно тонкого материала, такого как кремний, цирконий или бериллий.

Заявители описывают здесь опытный образец устройства плотного плазменного фокуса (ППФ) третьего поколения, созданное заявителями и их сотрудниками в качестве источника для литографии с облучением высокоэнергетическим ультрафиолетом (ВУФ), использующее полностью твердотельное устройство импульсного питания накачки (возбуждения). Используя результаты, полученные с помощью вакуумного дифракционного спектрометра, объединенные с результатами измерений с кремниевым фотодиодом, заявители обнаружили, что при использовании линии излучения 13,5 нм двухзарядного иона лития может генерироваться значительное количество излучения в пределах полосы отражения зеркал Mo/Si. В этом опытном образце устройства ППФ происходит преобразование 25 Дж запасенной электрической энергии на один импульс в приблизительно 0,76 Дж излучения в полосе (линии) 13,5 нм, испускаемого в телесный угол 4 стерадиан. Характеристика этого устройства исследовалась по параметру скорости повторения импульсов вплоть до предельной частоты источника питания постоянного тока (ПТ) в 200 Гц. Вплоть до этой скорости (частоты) повторения никакого значительного уменьшения выхода ВУФ на один импульс не обнаружено. При 200 Гц измеренная стабильность энергии от импульса к импульсу составляла =6% и не наблюдалось никакого падения энергии импульсов. Электрическая схема и работа этого опытного образца устройства ППФ представлены при описании нескольких предпочтительных модификаций, которые, как предполагается, обеспечивают улучшенную стабильность, эффективность и рабочие параметры.

Кроме того, описано устройство ППФ четвертого поколения, способное работать с частотой 2000 Гц, которое способно производить около 20 мДж на импульс полезного излучения ВУФ в угле 2 стерадиан.

Настоящее изобретение предлагает практическую реализацию ВУФ литографии в надежный, имеющий высокую яркость источнике ВУФ излучения, излучательные характеристики которого хорошо согласуются с полосой отражения зеркальных систем Mo/Si или Мо/Ве.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 и 1А – схемы источников высокоэнергетичных фотонов, представляющих предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 – схема устройства для формирования трехмерного плазменного пинча с электродами в форме диска;

фиг.3 – схема четвертого предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 – предпочтительная электрическая схема для предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг.5А – вид опытного образца устройства, созданного заявителями и их сотрудниками;

фиг.5В – разрез, показывающий электроды опытного образца со средствами предионизации в виде искровых штырей;

фиг.5В1-5В6 – этапы формирования плазменного пинча;

фиг.5С – разрез электродной области с защитным экраном;

фиг.5С1-5С6 – этапы формирования плазменного пинча с установленным защитным экраном;

фиг.6 – форма импульса, формируемого опытным образцом устройства;

фиг.7 – часть ВУФ пучка, формируемого гиперболическим коллектором;

фиг.7А – изображение в перспективе гиперболического коллектора;

фиг.7В – часть ВУФ пучка, формируемого эллипсоидальным коллектором;

фиг.8 – пик лития на 13,5 нм в сравнении с коэффициентом отражения покрытий MoSi;

фиг.9 – вложенный конический коллектор загрязняющих частиц;

фиг.10 – окно из тонкого Be для отражения видимого света и пропускания ВУФ излучения;

фиг.11 – диаграмма, представляющая коэффициент отражения различных материалов для ультрафиолетового излучения 13,5 нм;

фиг.12 – схема, представляющая способ введения газа источника и рабочего газа;

фиг.13 – временная диаграмма, представляющая напряжение на аноде и интенсивность ВУФ;

фиг.14А, 14В, 14С и 14D – влияние различных конструкций анода на плазменный пинч;

фиг.15 – схема, иллюстрирующая метод использования ВЧ-энергии для работы газа источника, представляющего собой пары лития;

фиг.16, 16А, 16В, 16С, 16D и 16Е – элементы и технические характеристики опытного образца устройства плазменного пинча четвертого поколения;

фиг.17 – метод охлаждения с тепловой трубой для охлаждения анода в предпочтительном устройстве плазменного пинча.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Основная конструкция

Упрощенные чертежи, представляющие основную конструкцию источника с высокоэнергетичным ультрафиолетовым излучением, показаны на фиг.1 и 1А. Главные элементы – устройство 2 для создания плазменного пинча, коллектор 4 высокоэнергетичных фотонов и полый световод 6. Источник плазменного пинча содержит коаксиальный электрод 8, запитываемый от низкоиндуктивного импульсного источника 10 питания. Импульсный источник питания в этом предпочтительном варианте представляет собой высоковольтную цепь с высоким кпд по энергии, способную обеспечивать очень быстрый (приблизительно за 50 нc) рост амплитуды импульсов в диапазоне от 1,4 до 2,5 кВ на коаксиальном электроде 8 с частотой повторения импульсов по меньшей мере 1000 Гц.

На фиг.1 показан случай, когда небольшое количество рабочего газа, такого как смесь гелия и паров лития, находится вблизи основания электрода 8, как показано на фиг.1. При каждом высоковольтном импульсе между внутренним и внешним электродами коаксиального электрода 8 возникает лавинный пробой либо благодаря предионизации, либо самопробою. Лавинный процесс, возникающий в буферном газе, ионизует газ и создает проводящую плазму между электродами у основания электродов. Когда существует проводящая плазма, между внутренним и внешним электродами протекает ток. В этом предпочтительном варианте внутренний электрод находится под высоким положительным потенциалом, а внешний электрод – под потенциалом земли. Ток будет протекать от внутреннего электрода к внешнему электроду и, следовательно, электроны будут двигаться к центру, а положительные ионы будут двигаться от центра. Этот ток генерирует магнитное поле, которое действует на движущиеся носители зарядов, ускоряя их в направлении от основания коаксиального электрода 8.

Когда плазма достигает конца центрального электрода, электрические и магнитные силы, действующие на плазму, сжимают плазму в “фокус” около точки 11 вдоль центральной линии и на малом расстоянии от торца центрального электрода, а давление и температура плазмы резко повышаются, достигая предельно высоких температур, в некоторых случаях намного выше, чем температура на поверхности Солнца! Размеры электродов и полная электрическая энергия в цепи предпочтительно оптимизируются для получения в плазме требующейся температуры черного тела. Для генерации излучения в области 13 нм требуется, чтобы температура черного тела была свыше 20-100 эВ. Вообще для конкретной коаксиальной конфигурации температура будет увеличиваться с увеличением напряжения в электрическом импульсе. Форма пятна или точки излучения в некоторой степени неправильная в осевом направлении, а в радиальном направлении в грубом приближении соответствует гауссовой форме. Типичный радиальный размер источника 300 микрон, а его длина приблизительно 4 мм.

В большинстве известных устройств с плазменным пинчем, описанных в технической литературе, пятно излучения испускает излучение во всех направлениях и его спектр приблизительно близок к спектру черного тела. Назначение лития в рабочем газе заключается в том, чтобы сузить спектр излучения из этого пятна излучения.

Вторая основная конструкция показана на фиг.1А. В этом случае пары лития являются активным газом и вводятся через центр анода. Буферный газ – гелий, и он вводится в другое (отделенное) место. Для создания в камере требующегося вакуума используется всасывающий насос. Линии подачи лития нагревают, чтобы поддерживать литий в паровом состоянии.

Пар лития

Дважды ионизованный литий имеет электронный переход на 13,5 нм и в буферном гелиевом газе он выполняет функцию атома, являющегося источником излучения. Дважды ионизованный литий – это превосходный выбор по двум причинам. Во-первых, это низкая точка плавления лития и высокое давление пара. Литий, выбрасываемый из пятна излучения, может удерживаться от осаждения на стенках камеры и собирающих оптических элементах просто путем нагрева этих поверхностей выше 180°С. Затем литий, находящийся в паровой фазе, может откачиваться из камеры наряду с буферным газом – гелием, используя стандартную технологию турбомолекулярной откачки. И, кроме того, литий может быть легко отделен от гелия просто путем охлаждения этих двух газов.

Для обеспечения хорошего отражения на 13,5 нм имеются материалы для выполнения покрытий. На фиг.8 показан пик излучения лития в сравнении с опубликованными данными по коэффициентам отражения MoSi.

Третье преимущество использования лития в качестве атома-источника излучения заключается в том, что неионизированный литий имеет малое сечение поглощения для излучения 13,5 нм. Более того, любой ионизированный литий, выбрасываемый из пятна излучения, легко может быть удален с помощью несильного электрического поля. Остающийся неионизированный литий по существу прозрачен для излучения 13,5 нм. В настоящее время в наиболее популярном предложенном источнике излучения в области 13 нм используется лазерная абляция (разрушение) замороженной струи ксенона. В такой системе практически весь инжектируемый ксенон должен захватываться до следующего импульса, поскольку у ксенона большое сечение поглощения на 13 нм.

Широкая полоса частот излучения ксенона

Другим предпочтительным атомом-источником излучения является ксенон, который имеет в области 13,5 нм широкую линию излучения. Заявители описывают в последующем разделе этого описания способы решения проблемы сильного поглощения ксеноном.

Коллектор излучения

Излучение, возникающее в пятне излучения, излучается однородно в полный угол 4 стерадиан. Для захвата этого излучения и направления его налитографический инструмент требуются некоторые элементы собирающей оптики. В ранее предложенных источниках с излучением на 13 нм предполагалось использование собирающей оптики на основе зеркал с многослойным диэлектрическим покрытием. Зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием используются для достижения высокой эффективности собирания излучения в широком угловом диапазоне. Любой источник излучения, который создает загрязнения, покрывал бы загрязнением эти диэлектрические зеркала, ухудшал их коэффициент отражения и, следовательно, происходило бы уменьшение собранного выходного излучения из источника. Эта предпочтительная система будет подвержена эрозии электродов и, следовательно, со временем она бы ухудшала качество любого диэлектрического зеркала, размещенного вблизи пятна излучения.

Имеются некоторые материалы с высоким коэффициентом отражения при небольших скользящих углах падения для УФ-излучения с длиной волны 13,5 нм. Графики для некоторых из них показаны на фиг.11. Хорошим выбором являются молибден, родий и вольфрам. Коллектор может быть изготовлен из этих материалов, но предпочтительно они применяются в качестве покрытия на материале конструктивной основы, такой как никель. Эта коническая секция может быть выполнена путем электроосаждения никеля на удаляемый шаблон.

Для получения коллектора, способного принимать излучение с большого конусного угла, несколько конических секций могут быть вложены внутрь друг друга. Каждая коническая секция может выполнять более одного отражения излучения, чтобы перенаправить его сектор конуса излучения в требующемся направлении. Создание коллектора для работы вблизи скользящего падения позволит получить коллектор, который будет наиболее устойчивым к осаждению материала разрушенного электрода. Коэффициент отражения зеркал при скользящем падении такой, что он сильно зависит от шероховатости поверхности зеркала. Зависимость от шероховатости поверхности уменьшается по мере приближения угла падения к скользящему падению. Оценка показывает, что мы можем собрать и направить излучение на 13 нм, испускаемое в телесный угол по меньшей мере 25 градусов. Предпочтительные коллекторы для направления излучения в световоды показаны на фиг.1, 2 и 3.

Вольфрамовые электроды – вольфрамовые покрытия для коллектора

Предпочтительный способ выбора материала для внешнего отражательного коллектора заключается в том, что покрывающий материал на коллекторе тот же, что и материал электрода. Вольфрам – это перспективный кандидат, поскольку он продемонстрировал работу в качестве электрода, а действительная часть его коэффициента отражения на 13 нм равна 0,945. При использовании одного и того же материала для электрода и покрытия зеркала к минимуму сводится ухудшение отражательной способности зеркала, когда материал разрушенного электрода осаждается на собирающих зеркалах.

Серебряные электроды и покрытия

Серебро также является отличным выбором для электродов и покрытий, потому что оно также имеет низкий показатель преломления на 13 нм и имеет высокую теплопроводность, позволяющую осуществлять работу с более высокой частотой повторения импульсов.

Конический вложенный коллектор загрязняющих частиц

В другом предпочтительном варианте коллектор – направляющее устройство защищают от загрязнения поверхности материалом испаряющегося электрода с помощью коллектора загрязняющих частиц, который собирает все пары вольфрама до того, как они смогут достигнуть коллектора – направляющего устройства 4. На фиг.9 показан конический вложенный коллектор 5 загрязняющих частиц для собирания загрязняющих частиц, вылетающих из плазменного пинча. Коллектор 5 загрязняющих частиц состоит из вложенных конических секций, поверхности которых совмещены со световыми лучами, проходящими от центра места (пятна) пинча и направленными к коллектору – направляющему устройству 4.

Собранные загрязняющие частицы представляют собой вольфрам, испарившийся с вольфрамовых электродов, и испаренный литий. Коллектор загрязняющих частиц прикреплен к коллектору – направляющему устройству 4 излучения или представляет его часть. Оба коллектора состоят из основы, покрытой никелем. Часть коллектора – направляющего устройства 4 излучения – покрыта молибденом или родием для получения очень высокого коэффициента отражения. Предпочтительно оба коллектора нагревают до около 400°С, что значительно выше точки плавления лития и значительно ниже точки плавления вольфрама. Пары лития и вольфрама будут собираться на поверхностях коллектора 5 загрязняющих частиц, но литий будет испаряться; кроме того, литий собирается на коллекторе – направляющем устройстве 4, – откуда он вскоре также будет испаряться. Вольфрам, который собран на коллекторе 5 загрязняющих частиц, будет оставаться на нем постоянно.

На фиг.7 показаны оптические характеристики коллектора, созданного заявителями. Коллектор состоит из пяти вложенных параболических рефлекторов скользящего падения, но на чертеже показано только три из пяти рефлекторов. Два внутренних рефлектора не показаны. В этой конструкции угол, из которого собирается излучение, около 0,4 стерадиана. Как обсуждается ниже, поверхность коллектора имеет покрытие, и его нагревают для предотвращения осаждения лития. Эта конструкция позволяет получать параллельный пучок. Другие предпочтительные конструкции, такие как показанные на фиг.1, 3 и 10, фокусируют пучок. Коллектор следует покрывать материалом, обладающим высоким коэффициентом отражения при скользящем падении в области длины волны 13,5 нм. Два таких материала – это палладий и рутений.

Другой коллектор – направляющее устройство, – созданный для фокусировки пучка, показан на фиг.7В. В этом коллекторе – направляющем устройстве – используется эллипсоидальное зеркало 30 для фокусировки источника ВУФ. Зеркала такого типа могут быть получены на коммерческой основе от фирм-поставщиков, таких как, например, Reflex S.V.O., имеющей производственные мощности в Республике Чехия, в США распространением такой продукции занимается фирма Bede Scientific Instrument Ltd., офисы которой находятся в Соединенном Королевстве и Инглевуде, шт. Колорадо. Читателю следует обратить внимание на то, что такое зеркало собирает лучи, находящиеся только в углах, показанных позицией 32 на фиг.7В. Однако внутрь зеркала 30 и снаружи зеркала 30 могут быть включены дополнительные зеркальные элементы для собирания и фокусировки дополнительных лучей. Читателю следует также заметить, что по ходу распространения лучей после зеркала 30 могут быть расположены другие зеркальные элементы для собирания лучей из узкого угла или до зеркала 30 могут быть расположены зеркальные элементы для собирания лучей из более широкого угла.

Световод

Важно избежать осаждения указанных выше материалов на осветительной оптике литографического инструмента. Поэтому для дополнительного обеспечения их разделения предпочтительно использовать световод 6. Световод 6 – это полый световод, в котором также осуществляется по существу полное внешнее отражение на его внутренних поверхностях. Основная собирающая оптика может быть выполнена так, что уменьшить конусный угол собранного излучения, чтобы он соответствовал приемному углу полого световода. Этот принцип показан на фиг.1.

Диэлектрические зеркала литографического инструмента были бы тогда очень хорошо защищены от любых частиц, слетающих с электродов, поскольку вольфрам, серебро или атомы лития рассеивались бы в верхней части световода при столкновении с потоком буферного газа, вводимого ниже в полый световод, как показано на фиг.1.

Импульсный источник питания

Предпочтительный импульсный источник 10 питания представляет собой твердотельный, высокочастотный, высоковольтный импульсный источник питания, в котором используются твердотельный триггер и цепь с магнитным ключом, такой как импульсный источник питания, описанный в патенте США №5,936,988. Эти источники очень надежны и могут работать непрерывно без существенных затрат на техническое обслуживание в течение многих месяцев или миллиардов импульсов. Описание патента США №5,936,988 включено в настоящее описание в качестве ссылки.

На фиг.4 показана упрощенная электрическая схема, обеспечивающая импульсное питание. Предпочтительный вариант включает в себя источник 40 питания постоянного тока, который представляет собой источник с управляемой резонансной зарядкой такого же типа, который используется в эксимерных лазерах. С₀ – батарея из стандартных (не специальных) конденсаторов с общей емкостью 65 мкФ, конденсатор C₁ – для формирования резкого максимума, который также представляет собой батарею из готовых конденсаторов, имеющий общую емкость 65 мкФ. Катушка 42 индуктивности с насыщаемым сердечником имеет индуктивность при насыщении, соответствующем запуску, около 1,5 нГн. Триггер 44 – IGBT. Диод 46 и катушка индуктивности 48 создают цепь регенерации энергии, подобную той, что описана в патенте США №5,729,562, позволяющую запасать в С₀ отраженную электрическую энергию от одного импульса до следующего импульса.

Система

Таким образом, как показано на фиг.1, рабочая газовая смесь из гелия и паров лития подается в коаксиальный электрод 8. Электрические импульсы от импульсного источника 10 питания создают плотный плазменный фокус в месте, указанном позицией 11, с достаточно высокими температурами и давлением, чтобы происходила двойная ионизация атомов лития в рабочем газе, вызывающая генерацию ультрафиолетового излучения с длиной волны около 13,5 нм.

Этот свет собирается в коллекторе 4 с полным внешним отражением и направляется в полый световод 6, где свет далее направляется к литографическому инструменту (не показан). В разрядной камере 1 поддерживают вакуум около 4 Торр с помощью турбовсасывающего насоса 12. Некоторое количество гелия в рабочем газе отделяется в гелиевом сепараторе 14 и используется для продувки световода, как показано на фиг.1, позицией 16. Давление гелия в световоде предпочтительно соответствует требованиям по давлению для литографического инструмента, который обычно поддерживается при низком давлении или в вакууме. Температура рабочего газа поддерживается при требующейся температуре с помощью теплообменника 20, а газ очищается с помощью электростатического фильтра 22. Рабочий газ подают в объем коаксиального электрода, как показано на фиг.1.

Опытный образец устройства

Чертеж опытного образца устройства плазменного пинча, созданного и опробованного заявителем и его сотрудниками, показан на фиг.5А. Основные элементы – комплект конденсаторов C₁, комплект конденсаторов С₀, коммутаторы IGBT, катушка 42 индуктивности с насыщаемым сердечником, вакуумная камера 3 и коаксиальный электрод 8.

Результаты испытаний

На фиг.6 показана типичная форма импульса, измеренная заявителем, при использовании устройства, показанного на фиг.5А. Заявители зарегистрировали напряжение на C₁, ток на C₁ и интенсивность излучения на 13,5 нм за временной период 8 микросекунд. Суммарная энергия в этом типичном импульсе около 0,8 Дж. Ширина импульса (на полувысоте) около 280 нс. Напряжение на C₁ до пробоя меньше чем 1 кВ.

Этот опытный вариант может работать с частотой повторения импульсов до 200 Гц. Измеренное усредненное излучение в частотной полосе 13,5 нм при 200 Гц составляет 152 Вт в угле 4 стерадиан. Стабильность энергии при 1 сигма около 6%. Заявители оценили, что 3,2% энергии может быть направлено в полезный пучок излучения 13,5 нм с помощью коллектора 4, показанного на фиг.1.

Второе устройство плазменного пинча

Второе устройство плазменного пинча показано на фиг.2. Это устройство подобно устройству плазменного пинча, описанному в патенте США №4,042,848. Это устройство содержит два внешних электрода 30 и 32 дисковой формы и внутренний электрод 36 дисковой формы. Пинч создается из трех направлений, как описано в патенте №4,042,848 и как указано на фиг.2. Пинч начинается вблизи периферийной окружности электродов и распространяется к центру, а пятно излучения развивается вдоль оси симметрии и в центре внутреннего электрода, как показано на фиг.2 позицией 34. Излучение можно собирать и направлять, как было описано в отношении варианта, показанного на фиг.1. Однако возможен захват излучения в двух направлениях, выходящих с обоих сторон устройства, как показано на фиг.2. Кроме того, за счет расположения диэлектрического зеркала в позиции 38 значительный процент излучения, первоначально отраженного влево, мог бы быть отражен назад через пятно излучения. Это усилило бы излучение в направлении в правую сторону.

Третье устройство плазменного пинча

Третий вариант может быть описан, обращаясь к фиг.3. Этот вариант подобен первому предпочтительному варианту. Однако в этом варианте буферный газ – аргон. Гелий обладает требующимся свойством относительной прозрачности для излучения на 13 нм, но имеет и нежелательное свойство, состоящее в том, что он имеет маленькую атомную массу. Низкая атомная масса принуждает нас работать при основном давлении в системе 2-4 Торр. Дополнительный недостаток маленькой атомной массы Не заключается в том, что длина электрода требуется такой величины, чтобы расстояние, на котором происходит ускорение, согласовывалось с временной характеристикой электрической цепи возбуждения. Поскольку Не легкий, то электрод должен быть длиннее, чем это желательно, так чтобы Не доходил до торца электрода одновременно с пиком тока, протекающего через цепь возбуждения. Более тяжелый атом, такой как Аr, при заданном давлении будет давать более низкое пропускание излучение, чем Не, но благодаря более высокой массе он может создавать стабильный пинч при более низком давлении. Пониженное рабочее давление Аr с избытком компенсирует свойства более высокого поглощения излучения Аr. Кроме того, требующаяся длина электрода уменьшается вследствие более высокой атомной массы. Более короткий электрод имеет преимущество по двум причинам. Во-первых, получаемое в результате уменьшение индуктивности цепи при использовании более короткого электрода. Более низкая индуктивность делает цепь возбуждения более эффективной и, следовательно, уменьшает требующуюся энергию электрической накачки. Второе достоинство более короткого электрода – это уменьшение длины теплопроводящего пути от вершины электрода до основания. Передача электроду основной части тепловой энергии происходит на вершине, а охлаждение электрода за счет теплопроводности происходит в основном у основания (хотя радиационное охлаждение также имеет место). Более короткий электрод приводит к меньшему падению температуры вдоль длины электрода от горячей вершины к холодному основанию. Более низкая энергия накачки на один импульс и улучшенный путь охлаждения позволяют системе работать с более высокой частотой повторения. Увеличение частоты повторения непосредственно увеличивает среднюю выходную оптическую мощность системы. Пропорциональное увеличение выходной мощности за счет увеличения частоты повторения, в отличие от увеличения энергии на один импульс, представляет наиболее желательный способ повышения средней выходной мощности литографических световых источников.

В этом предпочтительном варианте литий не вводится в камеру в газообразном виде, как в первом и втором вариантах. Вместо этого в отверстии в центре центрального электрода размещается твердый литий, как показано на фиг.3. Тепло от электрода затем приводит к нагреву лития вплоть до температуры испарения. Регулируя высоту (расстояние) лития относительно горячей вершины электрода, можно управлять парциальным давлением лития вблизи вершины электрода. Один из предпочтительных способов выполнения этого показан на фиг.3. Предлагается механизм для регулировки вершины стержня из твердого лития относительно вершины электрода. Предпочтительно система располагается вертикально, так чтобы открытая сторона коаксиальных электродов 8 была вершиной, чтобы расплавленный литий просто образовывал “лужу” около вершины центрального электрода. Пучок будет выходить прямо вверх в вертикальном направлении, как указано на фиг.5А. (Альтернативный подход заключается в нагреве электрода до температуры, превышающей точку плавления лития, так чтобы литий добавлялся в виде жидкости.) Для нагнетания жидкости со скоростью, требующейся для любых конкретных частот повторения импульсов, имеются насосы с чрезвычайно низкой подачей. Вольфрамовый фитиль может использоваться для капиллярного затекания жидкого лития в область вершины центрального электрода.

Отверстие вниз по центру электрода обеспечивает другое важное достоинство этого варианта. Поскольку плазменный пинч образуется около центра вершины центрального электрода, то в этой области диссипируется (т.е. распыляется) много энергии. Материал электрода около этой точки будет испаряться и в конечном счете попадать на другие поверхности внутри камеры низкого давления. Применение электрода с центральным отверстием значительно уменьшает имеющуюся эрозию материала. Кроме того, эксперименты заявителя показали, что существование паров лития в этой области дополнительно уменьшает скорость эрозии материала электрода. Сильфоны или другие подходящие способы герметизации следует использовать, чтобы поддерживать хорошую герметичность в месте, где в камеру вводят электродное оборудование. Полностью заполненные твердым литием электроды для замены могут быть изготовлены легко и дешево и они легко могут быть заменены в камере.

Маленькое окно в вакуумной камере

Пинч генерирует очень большое количество видимого света, который должен быть отделен от ВУФ излучения. Кроме того, окно желательно для того, чтобы обеспечить дополнительную гарантию того, чтобы литографическая оптика не загрязнялась литием или вольфрамом. Пучок высокоэнергетического ультрафиолета, генерируемого в устройстве согласно настоящему изобретению, хорошо поглощается в твердом веществе. Поэтому выполнение окна для пучка – это очень сложная технологическая проблема. Предпочтительное решение для выполнения окна у заявителей – это использование чрезвычайно тонкой фольги, которая будет пропускать ВУФ и отражать видимый свет. Окно, предложенное заявителями, это фольга (около от 0,2 до 0,5 микрон) из бериллия, наклоненная на угол падения около 10° относительно оси входящего пучка. При такой конфигурации почти весь видимый свет отражается и около 50-80 процентов ВУФ пропускается. Конечно, такое тонкое окно не очень прочное. Поэтому заявители используют окно очень маленького диаметра и пучок фокусируется через это маленькое окно. Предпочтительно диаметр тонкого бериллиевого окна около 10 мм. Должен учитываться нагрев маленького окна, и при больших частотах повторения потребуется специальное охлаждение этого окна.

В некоторых конструкциях этот элемент может быть выполнен просто как разделитель пучка, который будет упрощать конструкцию, поскольку разность давлений не будет воздействовать на тонкий оптический элемент.

На фиг.10 показан предпочтительный вариант, в котором коллектор 4 излучения удлинен за счет удлиненного коллекторного конца 4А, чтобы фокусировать пучок 9 через бериллиевое окно 7 диаметром 1 мм, толщиной 0,5 микрон.

Предионизация

Эксперименты заявителей показали, что хорошие результаты могут быть получены без предионизации, но с предионизацией работа улучшается. Опытный образец устройства, показанный на фиг.5А, содержит предионизаторы в виде искровых разрядников, возбуждаемых постоянным током, для предионизации газа между электродами. При использовании усовершенствованных средств предионизации заявители в состоянии значительно улучшить величину стабильности энергии и улучшить другие рабочие параметры. Предионизация – это хорошо разработанный метод, используемый заявителями и другими специалистами для улучшения работы эксимерных лазеров. Предпочтительные методы ионизации включают:

1) искровой разрядник с возбуждением постоянным током

2) искровой разрядник с ВЧ-возбуждением

3) поверхностный разряд с ВЧ-возбуждением

4) коронный разряд

5) цепь формирования острого максимума в комбинации с предионизацией.

Эти методы хорошо описаны в научно-технической литературе, относящейся к эксимерным лазерам, и хорошо известны.

Защитный экран

На фиг.5В показано расположение двух из восьми искровых штырей 138, обеспечивающих предионизацию в предпочтительном варианте. На фиг.5В также показаны катод 111 и анод 123, представляющие собой внешний элемент из нержавеющей стали и внутренний элемент из вольфрама. Изолятор по кругу закрывает нижнюю часть анода 123, а пленочный изолятор 125 толщиной 5 мил (127 мкм) завершает изоляцию анода от катода. На фиг.5В1-6 показано развитие типичного импульса, приводящего к пинчу, который полностью сформирован на фиг.5В5 приблизительно через 1,2 мкс после начала разряда. Во время разряда плазма ускоряется в направлении вершины анода под действием сил Лоренца, действующих на ионы и электроны, создаваемые током, протекающим через плазму. При достижении вершины электрода, показанной позицией 121 на фиг.5В, радиально направленные составляющие силы сжимают и нагревают плазму до высоких температур.

Когда плазма сжата, существующие аксиально направленные силы, действующие на плазму, стремятся удлинить плазменный столб, как это показано особенно на фиг.5В6. Именно это удлинение приводит к нестабильностям. Как только плазменный столб “прорастает” вдоль оси за пределы определенной точки, падение напряжения на области сжатой плазмы становится слишком большим, чтобы оно могло поддерживаться за счет газа низкого давления в этой области вокруг и вблизи вершины анода. Возникает дуговой разряд и большая часть тока или весь ток протекает через более короткую область газа около вершины анода с низкой плотностью, как показано штриховой линией на фиг.5В6. Этот дуговой разряд причиняет вред, потому что он создает нестабильности в импульсе и является причиной относительно быстрой эрозии электродов.

Решением этой проблемы является обеспечение физического барьера для движения плазменного столба в осевом направлении. Такой барьер показан в виде элемента, обозначенного позицией 143 на фиг.5С и назван он защитным экраном, потому что действует как щит, предотвращающий выброс плазмы в устройстве ППФ. Защитный экран должен быть выполнен из электроизоляционного материала, обладающего хорошей механической и тепловой прочностью. Кроме того, должно учитываться химическое соответствие материала защитного экрана, когда при работе устройства используются элементы с высокой реакционной способностью, такие как литий. Литий предложен в качестве излучающего элемента для этого ВУФ источника из-за его интенсивного излучения на 13,5 нм. Превосходным кандидатом (для защитного экрана) является монокристаллический оксид алюминия, сапфир или аморфный сапфир, такой как, например, материал, изготавливаемый General Electric под торговой маркой Lucalux.

Установлено, что оптимальной формой защитного экрана является купол с центром на аноде, радиус купола равен диаметру анода, как показано на фиг.5С. Такая форма хорошо соответствует линиям тока в плазме, возникающим естественным образом, когда плазма находится в максимально сжатом состоянии. Если защитный экран располагается дальше от вершины анода, тогда плазменный столб будет слишком сильно вытянут для того, чтобы происходил достаточный нагрев плазмы, и появляется опасность возникновения дугового разряда. Если защитный экран располагается слишком близко к вершине анода, тогда ограничивается ток, протекающий от центральной оси и ниже к катоду, что также ведет к недостаточному нагреву плазмы.

Отверстие в вершине защитного экрана 143, обозначенное позицией 144, требуется для того, чтобы могло выходить ВУФ излучение и это излучение могло бы собираться для использования. Это отверстие должно быть выполнено как можно более маленьким в связи с тем, что плазма стремится вытекать через это отверстие и образовывать длинный узкий столб над защитным экраном. Наклонный срез в этом отверстии, как показано позицией 144, позволяет осуществлять сбор большего количества удаленного от оси ВУФ излучения, генерируемого устройством плазменного пинча.

На фиг.5С1-6 показано, как защитный экран сдерживает плазменный пинч и препятствует образованию дугового разряда.

Комбинирование видов и плотностей газа

Заявители обнаружили, что единственный (один) газ не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к газу-источнику излучения, и требованиям, предъявляемым к оптимизированному буферному газу. Газ-источник должен быть подобным литию с излучением на 13,5 нм в узком частотном диапазоне или подобно ксенону с излучением в широком частотном диапазоне около 13,5 нм. Такие параметры, как плотность, характеристики пробоя и поглощение лития и ксенона, не являются оптимальными для использования их в качестве буферного газа. Например, ксенон имеет слишком большое собственное поглощение, а литий недостаточную плотность для использования в качестве буферного газа.

Чтобы решить эту проблему противоречащих требований, заявители, как показано на фиг.12, разделяют рабочий газ на газ-источник и буферный газ и обеспечивают подачу 42 газа-источника, такого как смесь 5% Хе и 95% Не, вверх по центру анода 40. Затем заявители обеспечивают подачу оптимизированного буферного газа, такого как гелий или смесь гелия и аргона, в основную область камеры, поддерживаемую при постоянном давлении. Газ-источник внутри анода будет тогда находиться под давлением буферного газа, а расход газа-источника 42 определяет парциальное давление газа-источника, смешенного с буферным газом, в основной части камеры. Оптимально иметь низкий расход газа-источника, чтобы минимизировать парциальное давление газа-источника в основной области камеры. (Давление рабочего газа в основной области камеры регулируется с помощью не показанной системы регулировки давления.) Буферный газ циркулирует между анодом 40 и катодом 44, как показано позицией 46.

Оптимизация емкости

Заявители обнаружили, что наиболее высокая температура плазмы существует тогда, когда плазменный пинч возникает одновременно с максимальным значением тока, обеспечиваемого батареей конденсаторов возбуждения. Для заданной конфигурации анода и плотности буферного газа плазменный фронт будет распространяться вниз по длине аноде за заданное время для заданной величины зарядного напряжения. Максимальную эффективность излучения получают путем регулировки величины емкости и зарядного напряжения так, чтобы максимальная величина тока конденсатора возникала во время плазменного пинча.

Если требуется более высокий уровень вводимой энергии и, следовательно, более высокое зарядное напряжение, тогда емкость возбуждения должна быть уменьшена так, чтобы длительность волновой формы возбуждения соответствовала времени распространения плазмы вниз вдоль длины анода. Поскольку энергия, запасенная в конденсаторе, пропорциональна квадрату напряжения и линейно пропорциональна емкости, то запасенная энергия будет линейно увеличиваться с ростом напряжения, так как емкость уменьшается пропорционально увеличению напряжения.

На фиг.13 представлен график, показывающий измеренное напряжение на емкости возбуждения, измеренное напряжение на аноде и интенсивность ВУФ в зависимости от времени, для предпочтительного варианта, в котором емкость выбрана наилучшим образом, чтобы получить максимальный ток конденсатора во время пинча. В этом случае для анода длиной 2 см давление буферного газа Не составляло 2,5 Торр и емкость C₁ – 3 мкФ.

Оптимальная форма анода

Заявители обнаружили, что при конфигурациях с полым анодом плазменный пинч быстро растет вдоль оси, как только пинч образовался, и он будет распространяться вниз, в отверстие в полом аноде. Поскольку этот пинч растет в длину, то в конечном счете на его длине происходит слишком большое падение напряжения и на поверхности анода возникает дуговой разряд. Одно из решений для предотвращения такого дугового разряда заключается в том, чтобы сделать защитный экран, который обеспечивает физический барьер для роста длины пинча, распространяющегося наружу от анода, как описано выше. Другое решение для уменьшения скорости роста длины пинча вниз в полый анод заключается в увеличении открытого диаметра внутрь узкой области анода. Это будет замедлять рост длины пинча и препятствовать возникновению дуги.

Во всей предыдущей литературе показан полый катод с постоянным диаметром полой части. На фиг.14А, 14В, 14С и 14D показаны примеры форм пинча для различных форм полого анода. Конфигурация, показанная на фиг.14D, представляет форму с наиболее коротким пинчем.

Длина открытой части анода

Поскольку время распространения плазмы вниз определяет место (момент), где на волнообразной кривой напряжения возбуждения возникает пинч, заявители смогли регулировать длительность пинчевого участка устройства плазменного фокуса путем изменения величины открытой части анода и, следовательно, длительности распространения плазмы вниз.

Плотность буферного газа определяется требующимся диаметром плазменного пинча, а емкость возбуждения на практике ограничена определенным диапазоном. Эти два параметра, объединенные с напряжением возбуждения, определяют требующееся время распространения плазмы вниз. Тогда время распространения плазмы вниз можно регулировать путем увеличения или уменьшения длины открытой части анода. Предпочтительно время распространения плазмы вниз выбирают так, чтобы момент плазменного пинча возникал во время максимального значения волнообразной кривой тока возбуждения. Если требуется большая длительность плазменного пинча, тогда открытая длина анода может быть уменьшена, следовательно, укорачивается время распространения плазмы вниз, а это приводит к тому, что плазменный пинч возникает раньше на волнообразной кривой возбуждения.

Способ подачи лития

Схемы подачи лития, описанные выше, зависят от повышения температуры анода до достаточно высокой величины, при которой давление паров лития достигает требующегося уровня. Такая температура находится в диапазоне 1000-1300°С.

Альтернативный способ – это изготовление ВЧ-антенны из материала, такого как пористый вольфрам, пропитанного литием. Эта пористая вольфрамовая антенна 50, наполненная литием, размещается внизу внутри анода, как показано на фиг.15. Источник 52 ВЧ-энергии создает плазменный слой на антенне и около нее, он будет возбуждать атомы, которые продвигаются вверх под действием газового потока 54 через центр полого анода и атомы лития будут переноситься в торец анода.

Скорость образования ионов лития легко регулируется путем регулировки уровня мощности ВЧ-источника. Кроме того, пористый вольфрамовый анод можно поддерживать с помощью этого ВЧ-возбуждения при температуре, достаточной для того, чтобы происходила капиллярная подача жидкого лития вверх из резервуара 56, размещенного на дне анода.

Охлаждение анода

В предпочтительных вариантах настоящего изобретения центральный анод имеет внешний диаметр в диапазоне от около 0,5 см до 1,25 см. Предполагается, что анод поглощает существенное количество энергии вследствие продвижения плазмы вниз во время разряда и вследствие поглощения излучения из плазменного пинча. Может потребоваться охлаждение в диапазоне около 15 кВт. Поскольку давление газа очень низкое, то не может происходить сильного охлаждения путем конвекции через буферный газ. Радиационное охлаждение могло бы быть эффективным только при очень высокой температуре анода. Для отвода тепла вниз по длине анода потребовалось бы очень большое падение температуры.

Если в качестве активного газа используются пары лития и они вводятся через центр анода, тогда потребуется поддерживать температуру анода в диапазоне 1000°С-1300°С или выше. Такая высокая температура работы, требование по отводу значительного количества тепла, учет окружающих условий и высокое напряжение ограничивают выбор способа охлаждения. Однако один способ с литиевой (или другого щелочного металла) тепловой трубой представляет возможность относительно простого и надежного пути решения этой задачи. Литиевые тепловые трубы начинают эффективно работать при температурах около 1000°С. В конкретной конструкции таких устройств обычно используют тугоплавкие металлы – молибден и вольфрам – для кожуха и внутреннего фитиля и поэтому они могут работать при очень высоких температурах. Начальные исследования выявили, что имеется уверенность в том, что такая тепловая труба способна удовлетворить требования по охлаждению устройства ППФ.

Наиболее простой вариант мог бы иметь форму трубчатой или кольцевой тепловой трубы, которая объединена с анодом ППФ для наилучшей тепловой связи (теплоотдачи). Возможным вариантом была бы кольцевая тепловая труба, чтобы обеспечить подачу жидкого или парообразного лития в плазму ППФ. Для примера, сплошная тепловая труба диаметром 0,5 дюйма (1,27 см), отводящая 15 кВт, имела бы плотность мощности 75 кВт/дюйм² (11,8 кВт/см³). Кольцевая тепловая труба, имеющая внешний диаметр 1 дюйм и внутренний диаметр 0,5 дюйма, отводящая 15 кВт тепла, имела бы плотность мощности 25,4 кВт/дюйм² (3,9 кВт/см²). Оба эти примера иллюстрируют возможность этого способа, поскольку с литиевыми тепловыми трубами продемонстрированы плотности мощности далеко превосходящие 15 кВт/см². Во время работы тепловые трубы имеют лишь очень небольшой температурный градиент вдоль длины и для практических целей могут рассматриваться, как имеющие постоянную температуру по длине. Поэтому “холодный” (холодильник) конец тепловой трубы также будет находиться при температуре около или выше 1000°С. Для того чтобы отвести тепло с конца холодильника тепловой трубы, в предпочтительном варианте может использоваться радиационное охлаждение в рубашку с жидким хладагентом (таким, как вода). Радиационный перенос тепла пропорционален четвертой степени температуры, поэтому при предполагаемых рабочих температурах будут возможны высокие скорости теплопереноса. Тепловая труба окружалась бы кольцевым водяным теплообменником, способным обеспечить устойчивое рабочее состояние с отводом 15 кВт. В других вариантах конец-холодильник тепловой трубы может изолироваться другим материалом, таким как нержавеющая сталь, а охлаждение внешней поверхности этого материала может осуществляться жидким хладогентом. Какая бы технология не использовалась, важно, чтобы эта тепловая труба не “повреждалась” хладагентом на конце-холодильнике, т.е. чтобы на этом конце не происходило большее охлаждение, чем на конце-испарителе. Это может серьезно ухудшить работу. Кроме того, если температура тепловой трубы падает ниже температуры замерзания рабочей текучей среды в любой точке по длине (~180°С для лития), то она совсем не будет работать.

Ограничения по рабочей температуре элементов около основания центрального электрода (анода) могут потребовать, чтобы тепло, переносимое в эту область, было минимизировано. Это условие может быть реализовано, например, путем выполнения покрытия снаружи тепловой трубы из материала с низкой излучательной способностью вблизи области нижнего температурного допустимого предела. Тогда между тепловой трубой и элементами, которые должны находиться при пониженной температуре, может быть выполнен вакуумированный зазор. Поскольку вакуум имеет очень низкую теплопроводность, а тепловая труба покрыта материалом с низкой излучательной способностью, то между тепловой трубой и более холодными элементами будет происходить минимальный теплоперенос. Другое условие, которое должно учитываться – это поддержание регулируемой температуры анода при изменяющихся уровнях мощности нагрузки. Это может быть выполнено путем размещения цилиндра между тепловой трубой и водоохлаждаемой внешней рубашкой. Этот цилиндр мог бы иметь покрытие или заканчиваться материалом с высокой отражательной способностью по внутреннему диаметру и низкой излучательной способностью по его наружному диаметру. Если цилиндр полностью вставлен между излучающей тепловой трубой и водоохлаждаемой рубашкой, то излучение будет отражаться назад к тепловой трубе, таким образом уменьшая поток мощности от тепловой трубы к рубашке. Когда цилиндр-“ограничитель” вынимается, то большая часть холодильника тепловой трубы может излучать непосредственно в теплообменник водяной рубашки. Следовательно, регулируя положение “ограничителя” производится управление потоком мощности, чтобы устанавливать рабочую температуру устойчивого состояния работы тепловой трубы и, в конечном счете, анода.

Предпочтительный вариант, в котором для охлаждения используется тепловая труба, проиллюстрирован на фиг.17, где показаны анод 8А, катод 8В и изолирующий элемент 9. В этом случае в качестве активного газа используется пар лития и его подают в разрядную камеру через центр анода 8А, как показано позицией 440. Анод 8А охлаждают системой 442 с литиевой тепловой трубой, содержащей литиевую тепловую трубу 444. Литий в области 446 теплопереноса тепловой трубы 444 испаряется около горячего конца электрода 8А и пар течет к холодному концу тепловой трубы, где тепло передается от тепловой трубы путем радиационного охлаждения в теплоотводящий модуль 446, имеющий теплоотводящую поверхность 448, охлаждаемую водяным змеевиком 450. Охлаждение паров лития вызывает изменение его фазового состояния и переход в жидкое состояние, а жидкость капиллярным образом поднимается назад к горячему концу за счет капиллярного нагнетания в соответствии с хорошо известным способом работы тепловой трубы. В этом варианте цилиндр-ограничитель 452 скользит вверх и вниз, как показано позицией 454, внутри теплоотводящего модуля 448 с помощью привода, который является частью не показанного устройства регулировки температуры с обратной связью. Анодная часть с тепловой трубой также предпочтительно содержит вспомогательную систему нагрева для поддержания лития при температуре выше точки замерзания, когда устройство для создания плазменного пинча не вырабатывает достаточного количества тепла.

Устройство четвертого поколения

На фиг.16 показан чертеж в разрезе опытного образца устройства 400 плазменного пинча четвертого поколения, изготовленного и опробованного заявителями. Фиг.16А – увеличенная часть устройства, иллюстрирующая более подробно пинчевую область 401. Фиг.16В – электрическая схема, представляющая важные электрические элементы системы возбуждения с высоковольтным источником питания для этого варианта. Это устройство создает плазменный пинч при частоте повторения импульсов вплоть до около 2 кГц. Электрическая энергия, выделяемая при разряде между электродами, около 12 Дж на импульс. Заявители оценили, что полезная световая энергия, генерируемая каждым пинчем в интересуемом ВУФ диапазоне, излучаемая в угол 2 стерадиан, имеет величину около 20 мДж.

По существу все элементы, показанные на фиг.16, составляют часть твердотельной импульсной системы 404 питания для запитки электродов разрядными электрическими импульсами. В этом варианте положительный импульс напряжения около 4-5 кВ подается на центральный анод 8А. Катод 8В имеет потенциал заземления. Предионизацию обеспечивают с помощью 8 искровых штырей 138, которые производят искровые разряды предионизации в нижней части пространства между катодом и анодом. Эти искровые штыри работают при 20 кВ, используя в качестве источника питания 30 кВ 10 мГц генератор синусоидальных колебаний (не показан).

Электрическая схема

Описание электрической схемы этой предпочтительной импульсной системы питания изложено ниже со ссылкой на фиг.16В и частично на фиг.16 и 16А.

Система питания для плазменного фокуса

Традиционный источник питания постоянного тока приблизительно 700 В используется для преобразования переменной электрической мощности от трехфазного питания энергосистемы общего пользования на 208 В в мощность приблизительно 700 В на 50 А постоянного тока. Этот источник 400 питания обеспечивает питание для резонансного зарядного устройства 402. Источник питания 400 заряжает большую 1500 мкФ батарею С-1 фильтровых конденсаторов. По сигналу от внешнего триггера резонансное зарядное устройство инициирует цикл зарядки путем замыкания управляемого зарядного коммутатора S1. Когда коммутатор замкнут, образуется резонансный контур из конденсатора С-1, зарядной индукционной катушки L1 и батареи конденсаторов С0, которая образует часть твердотельной импульсной системы питания (SSPPS) 404. Поэтому ток начинает “разряжаться” от С-1 через катушку L1 индуктивности в С0, заряжая эту емкость. Поскольку емкость С-1 много, много больше, чем емкость С0, напряжение на С0 может достигать величины приблизительно в 2 раза большей чем начальное напряжение на С-1 во время этого резонансного процесса зарядки. Форма импульса зарядного тока предполагается в виде половины синусоиды, а напряжение на С0 подобно волнообразной кривой “1-косинус”.

Для того чтобы управлять конечным напряжением на С0, можно выполнять несколько действий. Во-первых, управляемый зарядный коммутатор S1 может быть разомкнут в любой момент во время нормального цикла зарядки. В этом случае ток прекращает течь от С-1, но ток, который уже имеется на зарядной катушке индуктивности, продолжает течь в С0 через диод D3 “свободного поворота”. Это приводит к прекращению дальнейшей передачи энергии от С-1 в С0. Только та энергия, которая осталась в зарядной катушке L1 индуктивности (которая может быть существенной), продолжает передаваться в С0 и заряжать его до более высокого напряжения.

Кроме того, коммутатор S2 “de-qing” через зарядную катушку индуктивности может быть замкнут, замыкая накоротко зарядную катушку индуктивности и “de-qing” резонансный контур. Это по существу исключает катушку индуктивности из резонансного контура и препятствует любому дальнейшему поступлению тока в катушку индуктивности из продолжающего заряжаться С0. Затем ток в катушке индуктивности шунтируется от нагрузки и захватывается в контуре, образованном зарядной катушкой L1 индуктивности, коммутатором S2 de-qing и диодом D4 de-qing. Диод D4 включают в цепь, поскольку IGBT имеет обратный антипараллельный диод, включенный в устройство, который нормально проводил бы обратный ток. В результате диод D4 блокирует этот обратный ток, который мог бы иначе обходить зарядную катушку индуктивности во время цикла зарядки.

В заключение, коммутатор “стравливания” или шунтирующий коммутатор и последовательно установленный резистор (оба не показаны в этом предпочтительном варианте) могут использоваться для разрядки энергии из С0, как только цикл зарядки полностью завершится, чтобы достичь очень тонкого регулирования напряжения на С0.

Источник питания постоянного тока представляет собой источник питания с регулируемым напряжением на выходе: 800 В, 50 А постоянного тока; на входе 208 В, 90 А переменного тока. Такой источник питания предоставляется такими фирмами, например, как Universal Voltronics, Lambda/EMI, Kaiser Systems, Sorensen и др. Во втором варианте может использоваться несколько источников питания, представляющих собой источники питания более низкой мощности, соединенные последовательно и/или параллельно, для того чтобы обеспечить полные напряжение, ток и среднюю мощность, удовлетворяющие требованиям для этой системы.

Конденсатор С-1 представляет собой два электролитических конденсатора, 450 В постоянного тока, 3100 мкФ, соединенные последовательно. Результирующая емкость 1500 мкФ, номинальная при 900 В, обеспечивающая достаточный запас в обычном рабочем диапазоне 700-800 В. Эти конденсаторы могут быть получены от фирм-поставщиков, таких как Sprague, Mallory, Aerovox и др.

Управляемый зарядный коммутатор S1 и выходной последовательный коммутатор S3 в этом варианте представляют собой коммутаторы IGBT (1200 В, 300 А). Фактический номер модели у этих коммутаторов СМ300НА-24Н от Powerex. Коммутатор S2 de-qing – это коммутатор 1700 В, 400 А IGBT, также от Powerex, номер модели СМ400НА-34Н.

Зарядная катушка L1 индуктивности – обычным образом изготовленная катушка индуктивности, выполненная с 2 рядами параллельных обмоток (каждая 20 витков) из высокочастотного многожильного обмоточного провода, выполненных на тороидальном сердечнике, обмотанном лентой из 50-50% NiFe, с двумя воздушными зазорами 1/8 дюйма (3,175 мм) и результирующей индуктивностью приблизительно 140 мкГн.

Этот специальный сердечник выполнен фирмой National Arnold. В других вариантах для сердечника могут использоваться различные магнитные материалы, включая молипермалой, Metglas и др.

Все диоды – последовательный, de-qing и “свободного поворота” – это диоды на 1400 В, 300 А от Powerex, номер модели R6221430PS.

Как упоминалось выше, схема SSPPS подобна той, на которую была сделана ссылка при описании уровня техники. Как только резонансное зарядное устройство 402 заряжает С0, запускающий сигнал формируют с помощью блока управления (не показан) в резонансном зарядном устройстве, который инициирует замыкание коммутаторов S4 IGBT. Хотя на схеме показан только один такой коммутатор (для ясности схемы), имеются восемь параллельных коммутаторов S4 IGBT, которые используют для разрядки С0 в С1. Тогда ток от конденсаторов С0 разряжается через IGBT и в первый электромагнитный переключатель LS1. Конструкция этого электромагнитного переключателя обеспечивает достаточную величину “вольт-секунд”, чтобы все 8 параллельных коммутаторов IGBT полностью включились (т.е. замкнулись) до того, как в разрядной цепи существенно вырастет ток. После замыкания формируется основной импульс тока, и он используется для переноса энергии из С0 в С1. Время переноса из С0 в С1 обычно порядка 5 мкс, при этом индуктивность LS1 при насыщении приблизительно 230 нГн. По мере того, как напряжение на С1 возрастает до полного требующегося значения напряжения, величина “вольт-секунд” на втором электромагнитном переключателе LS2 падает и этот переключатель оказывается в состоянии насыщения, перенося энергию из С1 в 1:4 импульсный трансформатор 406, который ниже описан более подробно. Трансформатор в основном состоит из трех одновитковых первичных “обмоток”, соединенных параллельно, и одной вторичной “обмотки”. Вторичный проводник связан с высоковольтным выводом первичных, это приводит к тому, что отношение шагового повышения становится 1:4 вместо 1:3, как в конфигурации автотрансформатора. Вторичная “обмотка” затем связана с конденсаторной батареей С2, которая затем заряжается за счет переноса энергии из С1 (через импульсный трансформатор). Время переноса из С1 в С2 приблизительно 500 нс, при этом индуктивность LS2 при насыщении приблизительно 2,3 нГн. По мере того, как напряжение возрастает на С2, достигается требующаяся величина произведения “вольт-секунд” третьего электромагнитного переключателя LS3 и он также насыщается, перенося напряжение, имеющееся на С2, на анод 8а, как показано на фиг.14А и 14В. Индуктивность LS3 при насыщении приблизительно 1,5 нГн.

Четвертый электромагнитный переключатель предусмотрен в качестве защитного устройства в случае, если ППФ не функционирует надлежащим образом. В случае, если импульс предионизации не подается в требующийся момент времени (непосредственно перед основным импульсом), тогда величина напряжения основного импульса недостаточна для осуществления пробоя изолятора между анодом и катодом. В результате импульсное напряжение в этих условиях разомкнутой цепи может по существу привести к нежелательному пробою в установке в каком-либо другом месте, а не между электродами ППФ. В этом случае большая часть энергии затем отражается назад к “переднему концу” SSPPS. Такой большой импульс обратного напряжения может вызвать лавинный пробой последовательного диода в SSPPS, приводя к возможному повреждению или разрушению устройств. Этот четвертый электромагнитный переключатель выполнен так, чтобы произведение “вольт-секунд” было избыточным для случая, если между основными электродами ППФ не произошел пробой. В этом случае электромагнитный переключатель выполнен так, чтобы закорачивать нагрузку до того, как произойдет удвоение напряжения и возникнет значительное повреждение устройства. Индуктивность при насыщении четвертого электромагнитного переключателя LS4 приблизительно 22 нГн и он заканчивается параллельной нагрузкой RL с сопротивлением ~1,5 Ом и индуктивностью ~75 мкГн.

Схема подмагничивания, показанная на фиг.16В позицией 408, также используется для надлежащего подмагничивания четырех электромагнитных переключателей. Ток от источника V1 питания подмагничивания проходит через электромагнитные переключатели LS4 и LS3. Затем он разделяется и часть тока проходит через катушку L5 индуктивности цепи подмагничивания и возвращается назад в источник V1 питания подмагничивания. Оставшаяся часть тока проходит через вторичную обмотку импульсного трансформатора и затем через электромагнитные переключатели LS2 и LS1 и катушку L3 индуктивности цепи подмагничивания в источник V1 питания подмагничивания. Катушка L2 индуктивности цепи подмагничивания обеспечивает путь обратно в источник питания для тока, который проходит через первичную обмотку импульсного трансформатора на землю. Катушки L3, L5 индуктивности цепи подмагничивания также обеспечивают напряжение изоляции во время импульса в SSPPS, поскольку источник V1 питания подмагничивания работает вблизи потенциала заземления (в противоположность потенциалам, генерируемым в SSPPS, где выполнены соединения с цепью подмагничивания).

Емкости С0, С1 и С2 создаются из ряда параллельных, полипропиленовых пленочных конденсаторов, смонтированных на печатной плате с толстым (6-10 oz.) медным покрытием. Печатные платы имеют клинообразную форму, так что 4 платы образуют цилиндрическую конденсаторную плату, которая запитывается от цилиндрической шины и для высоковольтных, и для заземленных соединений. В таком варианте образуется низкоиндуктивное соединение, что важно и для импульсного сжатия, и для стабильности плазменного пинча в самом ППФ. Полная емкость каждого из С0 и С1 – по 21,6 мкФ, а полная емкость С2 – 1,33 мкФ. Конденсаторы С0 и С1 представляют собой конденсаторы по 0,1 мкФ, 1600 В, полученные от фирм-поставщиков, таких как, например, Wima в Германии или Vishay Roederstein в Северной Каролине. Емкость С2 состоит из трех секций конденсаторов, собранных последовательно, чтобы получить полное номинальное напряжение, поскольку напряжение на вторичной обмотке импульсного трансформатора ~5 кВ. Конденсаторы С2 представляют собой элементы с параметрами: 0,01 мкФ, 2000 В постоянного тока, полученные опять же от Wima или Vishay Roederstein.

Коммутаторы SSPPS – это коммутаторы IGBT 1400 В, 1000 А. Фактический номер модели – СМ1000НА-28 от Powerex. Как упоминалось ранее, 8 параллельных коммутаторов IGBT используются для разрядки С0 в С1.

Последовательные диоды SSPPS все представляют собой диоды 1400 В, 300 А от Powerex, номер модели R6221430. По два диода используются для каждого коммутатора IGBT, в результате всего шестнадцать параллельных устройств.

Электромагнитный переключатель LS1 – это обычным образом изготовленная катушка индуктивности с 16 рядами параллельных обмоток (6 витков каждая) из высокочастотного многожильного обмоточного провода, выполненных на тороидальном ферритовом сердечнике. Этот конкретный сердечник от Ceremic Magnetics из Нью Джерси и выполнен из ферритового материала CN-20. Top толщиной 0,5 дюйма (1,27 см), внутренний диаметр 5,0 дюйма (7,54 см) и внешний диаметр 8,0 дюйма (20,32 см).

Электромагнитный переключатель LS2 – это одновитковая тороидальная катушка индуктивности. Магнитный сердечник – лента, намотанная на оправку с внешним диаметром 8,875 дюймов (~22,54 см), используя 2605-S3A Metglas шириной 2 дюйма (~5 см), толщиной 0,7 мил (17,78 мкм) от Honeyweil с майларом, намотанным толщиной 0,1 мил (2,54 мкм) между слоями до наружного диаметра 10,94 дюймов (~27,8 см).

Электромагнитный переключатель LS3 – это также одновитковая тороидальная катушка индуктивности. Магнитный сердечник – лента, намотанная на оправку с внешним диаметром 9,5 дюймов (24,13 см), используя 2605-S3A Metglas шириной 1 дюйм (2,54 см), толщиной 0,7 мил (17,78 мкм) от Honeywell с майларом, намотанным толщиной 0,1 мил (2,54 мкм) между слоями до наружного диаметра 10,94 дюймов (~27,8 см).

Импульсный трансформатор имеет конструкцию, подобную описанной в патенте США №5,936,988. Каждый из трех сердечников трансформатора – это лента, намотанная на оправку 422 с внешним диаметром 12,8 дюймов (~32,5 см), используя 2605-S3A Metglas шириной 1 дюйм (2,54 см), толщиной 0,7 мил (17,78 мкм) от Honeywell с майларом, намотанным толщиной 0,1 мил (2,54 мкм) между слоями до наружного диаметра 14,65 дюймов (~37,2 см). Каждый из трех сердечников 418 имеет кольцевую форму с внутренним диаметром 12,8 дюймов (~32,5 см) и внешним диаметром около 14 дюймов (35,56 см), высотой 1 дюйм (2,54 см). На фиг.16С приведено осевое сечение, схематически показывающее физическое расположение трех сердечников, а также первичной и вторичной “обмоток”. Каждая первичная обмотка фактически образована из двух круговых колец 420А и 420В, прикрепленных болтами к оправке 422 и распоркам 424 в виде стержней. Вторичная “обмотка” состоит из 48 болтов 426, установленных по кругу с зазорами.

Трансформатор работает по принципу, подобному тому, который заложен в линейном ускорителе. Высоковольтный импульс тока в трех первичных “обмотках” индуцирует рост напряжения во вторичной “обмотке” до приблизительно равного первичному напряжению. В результате напряжение, созданное на вторичной обмотке (т.е. стержнях 426), равно трехкратному первичному напряжению в импульсе. Но, поскольку сторона вторичной обмотки с низким напряжением связана с первичными обмотками, то выполняется четырехкратное преобразование.

Катушки L3, L4 индуктивности цепи подмагничивания представляют собой тороидальные катушки индуктивности, намотанные на магнитный сердечник из молипермалоя. Конкретные размеры сердечника: высота 0,8 дюйма (~2 см), внутренний диаметр 3,094 дюймов (~7,86 см) и внешний диаметр 5,218 дюймов (~13,25 см). Номер модели сердечника: 430026-2 от Group Arnold. Катушка L3 индуктивности имеет 90 витков, намотанных проволокой 12 AWG на тор для получения индуктивности ~7,3 мГн, а L4 имеет 140 витков из 12 AWG, намотанных на него для получения индуктивности ~18 мГн.

Катушка L6 индуктивности цепи подмагничивания -это просто 16 витков из проволоки 12 AWG, намотанной на диаметр 6 дюймов (15,24 см). Катушка L4 индуктивности цепи подмагничивания – это 30 витков из проволоки 12 AWG на диаметре 6 дюймов (15,24 см). Катушка L2 индуктивности цепи подмагничивания – это 8 витков из проволоки 12 AWG на диаметре 6 дюймов (15,24 см).

Сопротивление R1 – группа из двадцати параллельных резисторов, каждый из которых представляет собой композиционный резистор, 27 Ом.

Регенерирование энергии

Для повышения полного кпд это устройство плазменного пинча четвертого поколения предусматривает регенерацию энергии от импульса к импульсу на основе электрической энергии импульса, отраженной от разрядной части цепи. Метод регенерации энергии, использованный здесь, подобен методу, описанному в патенте США №5,729,562, который включен в настоящее описание в качестве ссылки. Ниже со ссылкой на фиг.16В дано пояснение, как достигается регенерация энергии.

После разряда С2 возбуждается отрицательно. Когда это происходит, то LS2 уже насыщен для того, чтобы ток протекал из С1 в С2. Следовательно, вместо того, чтобы энергия закольцовывалась в устройстве (что приводит к эрозии электродов), насыщенное состояние LS2 является причиной того, что обратный заряд на С2 переносится резонансно назад в С1. Этот перенос осуществляется за счет продолжающегося прямого течения тока через LS2. После переноса заряда из С2 в С1 последний имеет отрицательный потенциал относительно С0 (который в этот момент находится приблизительно при потенциале заземления) и (как было в случае с LS2) LS1 продолжает пропускать прямой ток из-за того, что во время импульса, который только что произошел, протекал большой ток. Вследствие этого ток протекает из С0 в С1, при этом потенциал С1 повышается до примерно потенциала заземления и формируется отрицательный потенциал на С0.

Читателям следует обратить внимание на то, что этот обратный перенос энергии назад в С0 возможен только, если все катушки (LS1, LS2 и LS3) индуктивности с насыщаемыми сердечниками поддерживают прямую проводимость до тех пор, пока вся или почти вся энергия не возвратится в С0. После того, как неиспользованная энергия проходит назад в С0, С0 становится отрицательным по отношению к его начальному запасенному заряду. В этот момент коммутатор 54 размыкается с помощью устройства управления импульсным питанием. Инвертирование цепи, содержащей катушку L1 индуктивности и твердотельный диод D3, связанный с землей, вызывает изменение знака полярности С0 в результате резонансного “свободного поворота” (т.е. половина цикла вызова цепи L1-С0, как блокированного против изменения направления тока на противоположное в катушке L1 индуктивности из-за диода D3, приводит к суммарному результату, состоящему в том, что энергия регенерируется (улавливается) за счет частичной “переразрядки” С0. Таким образом, энергия, которая в другом случае давала бы вклад в эрозию электродов, регенерируется, уменьшая требования к зарядке цепи для последующего импульса.

Результаты испытания

На фиг.16D и 16Е показаны результаты испытания опытного образца устройства четвертого поколения. На фиг.16D показана форма импульса на конденсаторе С2 и напряжение между электродами. На фиг.16Е показан сигнал, измеренный фотодиодом при использовании ксенона в качестве активного газа.

Понятно, что вышеприведенное описание вариантов представляет собой иллюстрацию только нескольких из многих возможных конкретных вариантов, которые могут представлять собой применение основных положений настоящего изобретения. Например, вместо рециркуляции рабочего газа возможно предпочтительно просто улавливать литий и удалять гелий. Использование другого электрода с другими комбинациями покрытий вместо вольфрама и серебра также возможно. Например, работоспособными были бы электроды и покрытия из меди или платины. Другие методы генерации плазменного пинча могут быть использованы для конкретных описанных вариантов. Некоторые из этих методов описаны в патентах, на которые дана ссылка в разделе описания, посвященном предпосылкам изобретения, и все эти описания включены как ссылки в настоящее описание. Доступны многие способы генерации высокочастотных высоковольтных электрических импульсов, и они могут быть использованы. Альтернативным вариантом было бы поддерживать световод при комнатной температуре и, следовательно, замораживать и литий, и вольфрам, по мере того, как они стремятся распространяться вниз по длине световода. Эта концепция с заморозкой дополнительно уменьшила бы количество загрязняющих частиц, которые достигли бы оптических элементов, используемых в литографическом инструменте, поскольку атомы постоянно прилипали бы к стенкам световода при ударе. Осаждению материала электрода на оптику литографического инструмента могло бы препятствовать создание собирающей оптики для формирования повторного изображения пятна излучения через маленькое отверстие в первичной разрядной камере и использование дифференциальной схемы накачки. Гелий и аргон могут подаваться из второй разрядной камеры через отверстие в первой камере. Показано, что эта схема является эффективной для предотвращения осаждения материала на выходные окна лазеров на парах меди. Гидрид лития может быть использован вместо лития. Устройство также может работать как стационарно заполненная система без протекания рабочего газа через электроды. Конечно, возможен очень широкий диапазон скоростей повторения импульсов от одиночных импульсов в количестве 5 импульсов в секунду до нескольких сотен или тысяч импульсов в секунду. Если требуется, то для регулировки положения твердого лития регулировочный механизм мог бы быть модифицирован так, чтобы положение вершины центрального электрода также регулировалось с учетом эрозии вершины.

Возможно много других схем расположения электродов вместо описанных выше. Например, внешний электрод может быть конусной формы, а не цилиндрической, как показано, с большим диаметром к направлению пинча. Кроме того, рабочие параметры в некоторых вариантах могли бы быть улучшены, если внутренний электрод сможет выступать за пределы конца наружного электрода. Это может быть сделано с искровыми штырями или другими предионизаторами, хорошо известными в данной области техники. Другой предпочтительный альтернативный вариант – это использование для наружного электрода группы стержней, расположенных так, чтобы образовывать в общем цилиндрическую или коническую форму. Такой подход поможет поддерживать симметричный пинч с центром вдоль оси электрода благодаря образуемой в результате балластной индуктивности.

Таким образом, читателю предлагается определять объем изобретения по прилагаемой формуле и ее законным эквивалентам, а не по примерам, которые даны в описании.

Формула изобретения

1. Источник высокоэнергетических фотонов, содержащий:

A) вакуумную камеру;

B) по меньшей мере два электрода, установленных коаксиально в упомянутой вакуумной камере, определяющих область электрического разряда и выполненных с возможностью создания плазменных пинчей высокой частоты в месте пинча при электрическом разряде;

C) рабочий газ, содержащий активный газ и буферный газ, причем буферный газ представляет собой благородный газ, а активный газ выбран так, чтобы обеспечить излучение по меньшей мере одной спектральной линии;

D) систему подачи активного газа для подачи активного газа в упомянутую область разряда; и

Е) систему импульсного питания, обеспечивающую электрические импульсы с энергией по меньшей мере 12 Дж на импульс при частоте повторения импульсов по меньшей мере 2000 Гц, причем упомянутая система содержит:

1) батарею зарядных конденсаторов;

2) быстродействующее зарядное устройство для зарядки упомянутой батареи зарядных конденсаторов за периоды времени менее около 0,5 микросекунд;

3) средство управления напряжением зарядных конденсаторов для управления зарядом на батарее зарядных конденсаторов;

4) цепь электромагнитного сжатия, содержащую по меньшей мере одну батарею конденсаторов и по меньшей мере одну катушку индуктивности с насыщаемым сердечником;

5) триггер батареи зарядных конденсаторов для разрядки упомянутой батареи зарядных конденсаторов в упомянутую цепь электромагнитного сжатия; и

6) импульсный трансформатор для увеличения напряжений импульсов по меньшей мере на коэффициент 4, содержащий по меньшей мере три одновитковых первичных обмотки и единственную одновитковую вторичную обмотку.

2. Источник по п.1, в котором один из упомянутых двух электродов представляет собой полый анод, и упомянутый активный газ вводят в упомянутую вакуумную камеру через упомянутый полый анод.

3. Источник по п.2, в котором упомянутый активный газ содержит литий.

4. Источник по п.2, в котором упомянутый активный газ содержит ксенон.

5. Источник по п.2, в котором упомянутая по меньшей мере одна батарея конденсаторов содержит по меньшей мере одну батарею конденсаторов, оптимизированную для обеспечения максимального тока от конденсатора одновременно с упомянутым плазменным пинчем.

6. Источник по п.2, в котором упомянутый полый анод определяет конец пинча, первый внутренний диаметр около указанного конца пинча и второй внутренний диаметр, который дальше от указанного конца пинча, чем первый внутренний диаметр, при этом второй внутренний диаметр больше, чем первый внутренний диаметр.

7. Источник по п.6, в котором первый внутренний диаметр отделен от упомянутого конца пинча расстоянием, выбираемым для предотвращения образования дугового разряда.

8. Источник по п.2, в котором упомянутый анод определяет длину открытой части анода, и эта длина выбрана так, чтобы плазменный пинч возникал приблизительно одновременно с максимальным значением тока возбуждения.

9. Источник по п.2, дополнительно содержащий источник лития, состоящий из пористого материала, пропитанного литием.

10. Источник по п.9, в котором упомянутый пористый материал представляет собой вольфрам.

11. Источник по п.10, дополнительно содержащий ВЧ источник, выполненный с возможностью создания плазмы, окружающей по меньшей мере часть упомянутого пористого материала.

12. Источник по п.1, в котором упомянутая система быстродействующей зарядки представляет собой систему резонансной зарядки для зарядки упомянутого зарядного конденсатора.

13. Источник по п.1, в котором упомянутая по меньшей мере одна катушка индуктивности с насыщаемым сердечником представляет собой по меньшей мере две катушки индуктивности с насыщаемым сердечником и цепь подмагничивания для подмагничивания упомянутых по меньшей мере двух катушек индуктивности с насыщаемым сердечником.

14. Источник по п.1, дополнительно содержащий цепь регенерации энергии для регенерации на упомянутом зарядном конденсаторе энергии, отраженной от упомянутых электродов.

15. Источник по п.1, в котором упомянутая по меньшей мере одна батарея конденсаторов представляет собой по меньшей мере две батареи конденсаторов.

16. Источник по п.1, дополнительно содержащий тепловую трубу для охлаждения по меньшей мере одного из упомянутых электродов.

17. Источник по п.2, дополнительно содержащий систему охлаждения с тепловой трубой для охлаждения упомянутого полого анода.

18. Источник по п.17, в котором упомянутая система охлаждения с тепловой трубой и упомянутый полый анод содержат охлаждаемый тепловой трубой полый анод, имеющий участок для ввода упомянутого активного газа.

19. Источник по п.18, в котором упомянутый импульсный трансформатор состоит из множества кольцеобразных сердечников, выполненных из магнитного материала, и первичной обмотки, которая находится в электромагнитной связи с каждым из упомянутых сердечников.

20. Источник по п.19, в котором упомянутый магнитный материал состоит из пленки с высокой магнитной проницаемостью, намотанной на оправку.

21. Источник по п.20, в котором упомянутый импульсный трансформатор определяет вторичную обмотку, состоящую из множества стержней.

22. Источник по п.20, в котором упомянутая оправка образует часть упомянутой первичной обмотки для каждой первичной обмотки.

РИСУНКИ